1燃气燃烧计算

燃气燃烧与燃烧装置徐鹏燃气燃烧与燃烧装置燃气燃烧（火焰）燃烧装置燃气燃烧基本理论1.燃烧计算2.燃气燃烧过程3.燃气燃烧方法4.燃气燃烧污染的控制5.燃气互换性燃气燃烧应用装置1.扩散式燃烧器2.大气式燃烧器3.全预混燃烧器4.节能环保燃烧技术及装置5.民用燃气用具、燃气工业炉燃气燃烧与装置1.燃气燃烧基本理论1.燃气燃烧计算燃烧计算是燃气燃烧应用的基础。它为工业及民用燃烧设备的设计提供可靠的依据。燃气燃烧计算包括三方面内容：(1)确定燃气的热值；(2)计算燃烧所需的空气量及产生的烟气量；(3)确定燃烧温度和绘制焓温图。1.1燃烧及燃烧反应计量方程式对于气体燃料来说，燃烧是指气体中的可燃成分（CmHn、H2、CO等）在一定条件下与氧发生激烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程。燃烧反应计量方程式是进行燃气燃烧计算的依据。它可以表示出燃烧反应前后，燃气中的各可燃物质与其燃烧产物之间的量值比例关系。任何一种形式的碳氢化合物CmHn的燃烧反应方程式都可以用以下通式表示：HOHnmCOOnmHCnm2222)4(（1-1）式中H—1molCmHn完全燃烧后所放出的热量。22NO793.7621rr1.2燃气热值的确定热值——1m3燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的热值，单位为kJ/m3或kJ/kg。高热值——1m3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。低热值——1m3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，其中的水蒸气以蒸汽状态排出时所放出的热量。燃气的高热值在数值上大于其低热值，差值为水蒸气的气化潜热。•水蒸气的气化潜热很大（100℃的气化潜热为2257kJ/kg；20℃的气化潜热为2454kJ/kg）在工业与民用燃气应用设备中，烟气中的水蒸气通常是以气体状态排出的，因此实际工程中经常用到的是燃气的低热值。有时为了进一步利用烟气中的热量，把烟气冷却至其露点温度以下使水蒸气冷凝液化，只有这时才用到燃气的高热值。实际使用的燃气是含有多种组分的混合气体。混合气体的热值一般根据混合法则由各单一气体的热值计算得出nnrHrHrHH2211气体热值H2COCH4C3H8C4H10C3H6n-C4H10i-C4H10低热值1079412644359068766793244117695123649122857高热值12753126443984293671101270125847133885133048某些单一可燃气体的热值（kJ/m3；标准状况）•工程计算中有湿燃气与干燃气之分。•由于天然气中含有一定水蒸气成分，所谓1m3湿燃气是指燃气的总体积为1m3，其中包含水蒸气所占体积（实际的燃气成分小于1m3）。•1m3干燃气则是指燃气成分的体积是1m3，而与其共存的还有若干水蒸气，因此1m3干燃气的实际体积是大于1m3的。由于以干燃气为计量基准不会受到燃气含湿量变化的影响，因此1m3干燃气的概念被广泛应用。•1m3干燃气暗含了另含相应含湿量的意义，如非特殊说明，以后皆简称1m3燃气。1.3燃烧所需空气量燃烧所需的氧一般是从空气中直接获得的。若不考虑空气中含有的少量的二氧化碳和其它稀有气体，干空气的容积成分可按含氧气21％、含氮气79％计算。在燃气的燃烧过程中要供给适量的空气，过多或过少都会对燃烧产生不利影响。22NO793.7621rr1.3.1理论空气需要量理论空气需要量是指按燃烧反应计量方程式，1m3（或kg）燃气完全燃烧所需的空气量，是燃气完全燃烧所需的最小空气量，单位为m3/m3或m3/kg。当燃气组分已知时，根据各组分的反应方程式，可按下式计算燃气燃烧所需的理论空气量：式中0V—理论空气需要量（m3干空气/m3干燃气）；2H、CO、nmHC、SH2—燃气中各种可燃组分的容积成分；2O—燃气中氧的容积成分。一般，燃气的热值越高，燃烧所需的理论空气量就越多。]5.1)4(5.05.0[2112220OSHHCnmCOHVnm1.3.2实际空气需要量理论空气需要量是燃气完全燃烧所需的最小空气量。由于燃气与空气的混合很难达到完全均匀，如果在实际燃烧装置中只供给理论空气量，则很难保证燃气与空气的充分混合、接触，因而不能完全燃烧。因此实际供给的空气量应大于理论空气需要量，即要供应一部分过剩空气。过剩空气的存在增加了燃气分子与空气分子接触的机会，也增加了其相互作用的机会，从而促使其燃烧完全。实际供给的空气量V与理论空气需要量0V之比称为过剩空气系数，即0VV（1-3）通常1。实际中，的取值决定于所采用的燃烧方法及燃烧设备的运行状况。在工业设备中，一般控制在1.05～1.20；在民用燃具中一般控制在1.3～1.8。在燃烧过程中，正确选择和控制值的大小是十分重要的，过小或过大都会导致不良后果。过小会导致不完全燃烧，造成能源的浪费和对环境的污染；过大则使烟气体积增大，炉膛温度与烟气温度降低，导致换热设备换热效率的降低与排烟热损失的增大，同样造成能源的浪费。因此，先进的燃烧设备应在保证完全燃烧的前提下，尽量使值趋近于1。1.4完全燃烧产物的计算燃气燃烧后的产物就是烟气。当只供给理论空气量时，燃气完全燃烧后产生的烟气量称为理论烟气量。理论烟气的组分有CO2、H2O和N2。一些燃料中含有一定的硫分，则在它们的燃烧产物中还含有SO2。由于在作气体分析时，CO2和SO2的含量经常合在一起，而产生CO2和SO2的化学反应式也有许多相似之处，因此通常将CO2和SO2合称为三原子气体，用符号RO2表示。当有过剩空气时，烟气中除上述组分外还含有过剩空气，这时的烟气量称为实际烟气量。如果燃烧不完全，则除上述组分外，烟气中还将出现CO、CH4、H2等可燃组分。根据燃烧反应方程式可以计算出燃气中各可燃组分单独燃烧后产生的理论烟气量。1.4.1理论烟气量（1时）（1）三原子气体体积)(01.022222SHHmCCOCOVVVnmSOCORO（1-4）式中2ROV—三原子气体体积（m3/m3干燃气）；2COV、2SOV—CO2和SO2的体积（m3/m3干燃气）。（2）水蒸气体积)](6.1262[01.002202agnmOHdVdHCnSHHV（1-5）式中02OHV—理论烟气中水蒸气的体积（m3/m3干燃气）；ad—空气的含湿量（kg/m3干空气）。•126.6——标准大气压，15℃时，水蒸气的比容，m3/kg；0℃时该值为120。（3）氮气体积20001.079.02NVVN（1-6）式中02NV—理论烟气中氮气的体积（m3/m3干燃气）。（4）理论烟气总体积000222NOHROfVVVV（1-7）式中0fV—理论烟气量（m3/m3干燃气）。1.4.2实际烟气量（1时）（1）三原子气体体积计算，同式（1-4）。（2）水蒸气体积)](6.1262[01.00222agnmOHdVdHCnSHHV（1-8）式中OHV2—实际烟气中水蒸气的体积（m3/m3干燃气）；ad—空气的含湿量（kg/m3干空气）。（3）氮气体积2001.079.02NVVN（1-9）式中2NV—实际烟气中氮气的体积（m3/m3干燃气）。（4）过剩氧体积0)1(21.02VVO（1-10）式中2OV—实际烟气中过剩氧的体积（m3/m3干燃气）。（5）实际烟气总体积2222ONOHROfVVVVV（1-11）式中fV—实际烟气量（m3/m3干燃气）。如果忽略过剩空气带入的H2O，实际烟气量即理论烟气量与过剩空气量之和：00)1(VVVff1.4.3.烟气的密度在标准状况下烟气的密度可按下式计算：fagdrgfVdVdV)(226.1000（1-12）式中0f—标准状态下烟气的密度（kg/m3）；drg—燃气的密度（kg/m3干燃气）。•1.226——标准大气压，15℃时，空气的密度，kg/m3；0℃时该值为1.293。1.5燃气燃烧温度及焓温图1.5.1燃气燃烧温度燃气燃烧时所放出的热量加热燃烧产物（烟气），使之能达到的温度称为燃气的燃烧温度。燃烧温度由燃烧过程的热量平衡来确定。一定比例的燃气和空气进入炉内燃烧，它们带入的热量包括两部分：①由燃气和空气带入的物理热（燃气和空气的热焓Ig和Ia）；②燃气的化学热（热值Hl）。热平衡的支出项包括：①烟气带走的物理热（烟气的焓If）；②向周围介质散失的热量Q2；③由于不完全燃烧而损失的热量Q3；④烟气中的CO2和H2O在高温下分解所消耗的热量Q4。由此可列出燃烧过程的热平衡方程：432QQQIIIHfagl（1-13）式中lH—燃气的低热值（kJ/m3干燃气）；gI—燃气的物理热（kJ/m3干燃气）；aI—1m3干燃气完全燃烧时由空气带入的物理热（kJ/m3干燃气）；fI—1m3干燃气完全燃烧后所产生的烟气的焓（kJ/m3干燃气）。其中：ggOHggtdccI)266.1(2（1-14）aaOHaatdccVI)266.1(20（1-15）fOONNOHOHROROftcVcVcVcVI)(22222222（1-16）式中gc、OHc2、ac、2ROc、2Nc、2Oc—分别为燃气、水、空气、三原子气体、氮和氧的平均定压容积比热（kJ/m3·k）；1.266—水蒸气的比容（m3/kg）；gd、ad—燃气、空气的含湿量（kg/m3干（燃）空气）；gt、at、ft—燃气、空气、烟气的温度（℃）；2ROV、OHV2、2NV、2OV—1m3干燃气完全燃烧后所产生的三原子气体、水蒸气、氮、氧的体积（m3/m3干燃气）。由此可以得到烟气温度：22222212224320)266.1()266.1(OONNOHOHROROaaOHaggOHglfcVcVcVcVQQQtdccVtdccHt（1-17）以上ft即为燃气的实际燃烧温度actt。可见其影响因素很多，很难精确地计算。为了比较燃气在不同条件下的热力特性，假设出多种简化了的热平衡条件，从而得到了不同定义的燃烧温度：（1）热量计温度ct。假设燃烧过程在绝热条件下（02Q）进行,且完全燃烧（03Q）,忽略烟气成分的高温分解（04Q）,由燃气和空气带入的全部热量完全用于加热烟气本身，这时烟气所能达到的温度称为热量计温度ct，即：2222221222)266.1()266.1(0OONNOHOHROROaaOHaggOHglccVcVcVcVtdccVtdccHt（1-18）（2）燃烧热量温度thert。在上述（1）的假设条件下，若不计燃气和空气带入的物理热（0agII），并且假设1，得到的烟气温度称为燃烧热量温度thert，即：22222212OONNOHOHROROlthercVcVcVcVHt（1-19）可见，thert只与燃气组成有关，即只取决于燃气性质，所以它是燃气的热工特性之一，是从燃烧温度的角度评价燃气性质的一个指标。（3）理论燃烧温度tht。在绝热且完全燃烧的条件下，所得到的烟气温度称为理论燃烧温度tht，即：222222122240)266.1()266.1(OONNOHOHROROaaOHaggOHglthcVcVcVcVQtdccVtdccHt（1-20）tht是燃气燃烧过程控制的一个重要指标。它表明某种燃气在一定条件下燃烧，其烟气所能达到的最高温度。（4）实际燃烧温度actt。实际燃烧温度与理论燃烧温度的差值随工艺过程和炉窑结构的不同而不同，很难精确地计算出来。人们根据长期的实践经验，得出了实际燃烧温度的经验公式：thacttt（1-21）式中—高温系数。对于一般燃气工业炉窑可取85.0~65.0；无焰燃烧器的火道可取9.0。1.5.2烟气的焓温图在进行工业炉和锅